Lutowanie: mechanizm, wspólny projekt i zastosowania

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Mechanice lutowania 2. Lutach 3. Zastosowaniach topników 4. Projekcie połączeń 5. Zastosowaniach.

Lutowanie to proces łączenia materiałów przez ogrzewanie ich do odpowiedniej temperatury i za pomocą materiału wypełniającego, zwanego lutowiem, o zawartości cieczy nieprzekraczającej 450 ° C i poniżej solidności materiału podstawowego. Metal wypełniający przepływa pomiędzy powierzchniami współpracującymi przez działanie kapilarne, aby utworzyć połączenie. Lut jest zwykle stopem nieżelaznym.

Wytrzymałość połączenia lutowanego jest zasadniczo spowodowana tworzeniem wiązania metalicznego, chociaż przyczepność i mechaniczne mocowanie również odgrywają swoje części. Lut nie działa poprzez topienie metalu nieszlachetnego, ale przez rozpuszczenie niewielkiej jego ilości w celu utworzenia warstwy związku międzymetalicznego. Po wpłynięciu połączenia lutowanego, utrzymuje części razem przez te same siły przyciągania pomiędzy sąsiadującymi atomami, jak w przypadku dowolnego metalu litego.

Mechanizm lutowania :

Proces lutowania obejmuje trzy ściśle powiązane czynniki, mianowicie .:

(i) Zwilżanie,

(ii) Niszczenie i rozprzestrzenianie, oraz

(iii) Działanie kapilarne i wypełnienie połączenia.

(i) Zwilżanie:

Jest własnością cieczy, dzięki której rozprzestrzenia się na twardej powierzchni. Podczas lutowania istotne jest, aby topnik lub stop lutowniczy rozprzestrzeniały się na połączonych powierzchniach podstawy. Jeśli lut nie zwilża powierzchni, można go łatwo zrzucić, pozostawiając niewiele lub nie lutowia przywierającego do metalu nieszlachetnego. Lut, który rozprowadza się i zwilża metal nieszlachetny, wytwarza dźwiękowe połączenie między dwiema powierzchniami i można go usunąć tylko przez zeskrobanie lub wypełnienie.

Warunkiem, aby ciecz całkowicie zwilżyła stałą powierzchnię jest to, że kąt zetknięcia lub kąt zwilżania, pokazany na ryc. 17.1, powinien wynosić zero. Ciecze, które nie zwilżają powierzchni, mają duży kąt zwilżania, jak pokazano na rys. 17.2.

Kąt zwilżania jest więc miarą tego, jak dobrze stopiony lut będzie zwilżał metal i jest najważniejszym czynnikiem w wizualnym osądzaniu skuteczności procesu lutowania i zdolności lutowania metalu nieszlachetnego. Zwilżanie jest zasadniczo reakcją chemiczną, która zachodzi, gdy jeden lub więcej elementów lutu reaguje z lutowanym metalem podstawowym tworząc związek. Ciepło dostarczane jest w celu ułatwienia zwilżania.

Zasadniczo ciekłe lutowie nie zwilżają czystych metalowych powierzchni. Na przykład lutowie cynowo-ołowiowe mają kąt zwilżania od 25 ° do 70 ° z powierzchniami stalowymi, w zależności od składu lutowia. Jednak cyna jest zdolna do stopowania z żelazem iw przypadku, gdy na powierzchni stali powstaje folia z cyny poprzez stopowanie, wówczas lut cynowo-ołowiowy ją zwilża. Zwykle lutowie zwilża powierzchnię metalu, pod warunkiem, że tworzy związek międzymetaliczny, a stały lub metaliczny metal może doprowadzić do lutowania.

Zwilżanie jest hamowane przez warstwy tlenków, dlatego konieczność usuwania takich warstw zapewnia skuteczne lutowanie. Dobre zwilżanie jest pożądaną właściwością w stopie lutowniczej dla umożliwienia płynnego, szybkiego i ciągłego przepływu lutu do otworu złącza.

Jednakże zwilżanie nie jest bezwzględnie konieczne dla tworzenia wiązania, co wynika z faktu, że stal nie jest zwilżana ołowiem, ale jeśli stopiony ołów może zestalać się w kontakcie z czystą, wolną od tlenków powierzchnią stalową, to wyniki w mocno sklejonym połączeniu lutowanym.

(ii) Niszczenie i rozprzestrzenianie:

Zdolność stopu lutowniczego do stopu z podłożem jest związana z jego zdolnością zwilżania powierzchni. Alloying jest związany z czystością metalu nieszlachetnego. Musi istnieć ścisły kontakt między lutowiem a metalem nieszlachetnym, aby stop miał miejsce na powierzchni granicznej i osiąga się to przez czyszczenie i stosowanie strumienia w celu usunięcia warstewki tlenkowej z powierzchni łączonego metalu podstawowego.

Alkohol także rozprzestrzenia się, ponieważ jeśli płynny lut rozpuszcza się w ciele stałym, może dyfundować pod warstwą tlenku i odłączyć go, a tym samym poprowadzić przepływ stopionego lutu na całej powierzchni. Charakterystyka i stopień rozprzestrzeniania się zależy od rodzaju metalu nieszlachetnego, temperatury, obecności lub braku strumienia, szorstkości powierzchni metalu i stopnia utlenienia.

W niektórych przypadkach, takich jak lutowie cynowo-ołowiowe, oszczędzające mniej niż 30% cyny, warunki równowagi ustalane są szybko z bardzo niewielkim rozprzestrzenianiem się. W przypadku wyższych stopów cyny początkowy spread następuje po wtórnym rozszerzeniu, które zachodzi przez znaczny okres czasu. Maksymalne rozprzestrzenianie się stopów cynowo-ołowiowych występuje przy stopach zbliżonych do temperatury eutektycznej, a przy lutowaniu praktycznym takie stopy mają najlepszą charakterystykę przepływu.

Struktura metalu bazowego z łączącymi się kanałami pomaga w rozprowadzaniu lutu przez działanie kapilarne. Boczna dyfuzja z takich kanałów pomaga w szybkim rozprowadzaniu cieczy w masie z powodu tworzenia się wiązania dyfuzyjnego.

(iii) Działanie kapilarne i wspólne napełnianie :

Sposób, w jaki lutowie wypełni przestrzeń pomiędzy dwiema współpracującymi powierzchniami, wpływa na jej zdolność wypełniania spoiny i stopień, w jakim wypełnione są niedoskonałości powierzchni. Płynność stopionego lutu musi być taka, aby mógł wpływać do wąskich przestrzeni przez działanie kapilarne. Inne rzeczy są równe, a stopiony lut spływa na większą odległość, ale z mniejszą szybkością przepływu, ponieważ oddzielenie powierzchni jest zmniejszone.

Głównymi czynnikami wpływającymi na skuteczność wypełniania spoin są: kąt zwilżania między lutem a metalem nieszlachetnym, klirens szczeliny między dwoma łączonymi powierzchniami, szybkość ogrzewania i jego jednorodność, temperatura, rodzaj użytego lutowia i wykorzystanie strumienia.

Klirens dla metali lekkich, takich jak aluminium i magnez, jest znacznie większy (0, 125 - 0, 625 mm) niż dla stopów miedzi (0, 05 - 0, 40 mm). Tam, gdzie problemem jest rozpuszczalność lutowia i metalu macierzystego, małe prześwity mogą prowadzić do nadmiernego zanieczyszczenia, wzrostu temperatury topnienia i przedwczesnego krzepnięcia. Taki stan można w dużym stopniu poprawić przez szybsze ogrzewanie.

Nierówne nagrzewanie prowadzi do nieregularnego wypełnienia szczeliny prowadzącej do złej jakości spoin. Proste połączenia są trudne do równomiernego nagrzewania, dlatego w miarę możliwości preferowane są połączenia krzywoliniowe.

Skład lutów i rodzaj zastosowanego topnika mają znaczący wpływ na zdolność wypełniania spoin i jakość złącza lutowanego.

Lutowane:

Zasadniczo lutowie stosowane w przemyśle mają układ cynowo-ołowiowy. Większość metali można łączyć za pomocą tych lutów i mają one dobrą odporność na korozję w przypadku większości mediów. W zależności od kompatybilności metalu nieszlachetnego można stosować topniki wszystkich rodzajów z tymi lutami. Odnosząc się do nich, zwyczajowo odnosi się najpierw do zawartości cyny, a więc 60/40 lutu to 60% cyny i 40% ołowiu. Temperatury topnienia i krzepnięcia lutów cynowo-ołowiowych najlepiej obrazuje wykres fazowy pokazany na ryc. 17.3 A.

Rys. 17.3A Schemat równowagi metalurgicznej dla układu cyna-ołów

Liczbę ASTM, skład nominalny, zakres temperatur topnienia i typowe zastosowania różnych stopów lutów cynowo-ołowiowych zestawiono w tabeli 17.1. Wybór lutownicy opiera się na jej zdolności do zwilżania powierzchni łączonego metalu i ze względu na oszczędność należy stosować gatunek zawierający najmniejszą ilość cyny, która zapewnia odpowiednie właściwości zwilżania i napełniania.

Oprócz popularnych lutów cynowo-ołowiowych stosowane są również inne lutowia mające na celu uzyskanie pożądanych właściwości dla konkretnych zastosowań. Niektóre z tych systemów to cyny antymon, cyna-antymon-ołów, cyna-srebro, cyna-ołów-srebro, cyna-cynk, kadm-srebro, kadm-cynk, cynk-glin, lutowie indu i lutowie zawierające bizmut znane więcej popularnie jako "topliwe stopy".

Skład, temperatury topnienia i zamarzania oraz specyficzne zastosowania ważnych lutów w tych układach są zapisane w tabeli 17.2 i mogą być stosowane jako ogólne wytyczne.

Topniki stosowane w lutowaniu:

Topnik do lutowania może być ciekłym, stałym lub gazowym produktem, który po podgrzaniu może sprzyjać zwilżaniu metali przez lutowie. Jego zadaniem jest usuwanie tlenków i innych związków powierzchniowych z lutowanych powierzchni poprzez ich przemieszczenie lub rozpuszczenie. Powinien mieć niższą gęstość właściwą niż lut, aby mógł zostać przesunięty przez lut w złączu.

Topniki do lutowania można podzielić na cztery grupy, mianowicie: najbardziej aktywne strumienie nieorganiczne, umiarkowanie aktywne strumienie organiczne, najmniej aktywne strumienie kalafonii i specjalne strumienie do konkretnych zastosowań. Większość tych strumieni jest dostępna w postaci drutu, cieczy, pasty lub suchego proszku.

1. Strumienie nieorganiczne:

Te topniki składają się z kwasów nieorganicznych i soli, które są silnie korozyjne i powodują szybkie i wysoce aktywne działanie topnika. Mogą być stosowane jako roztwory, pasty lub suche sole. Mogą być stosowane w aplikacjach do lutowania w wysokich temperaturach, ponieważ nie płoną ani nie charują. Jednak pozostałości tych strumieni pozostają aktywne chemicznie po lutowaniu, a zatem należy podjąć działania, aby skutecznie je usunąć.

Nieorganiczne topniki zawierające sole amonowe mogą prowadzić do pękania korozyjnego naprężeń podczas lutowania mosiądzu. Lutowanie stali wymaga strumienia chlorku cynku, który pozostawia silnie korozyjne pozostałości. Roztwór chlorku cynku w kwasie chlorowodorowym stosowany do lutowania stali nierdzewnych jest jeszcze bardziej korozyjny. Pozostałości tych strumieni należy dokładnie zmyć.

2. Strumienie organiczne:

Głównymi składnikami topników organicznych są kwasy organiczne i zasady oraz niektóre ich pochodne, takie jak wodohalogenki. Stosuje się je w zakresie temperatur od 90 do 320 ° C, powyżej których rozkładają się pod wpływem ciepła pozostawiając nieaktywną pozostałość.

Strumienie organiczne najlepiej stosować w obliczonych ilościach, aby mogły być w pełni zużyte przez wolizację, spalanie lub zwęglanie, aby nie pozostawiać żadnych aktywnych składników. Nieekomponowany strumień nie powinien stykać się z tulejami izolacyjnymi i należy zachować ostrożność podczas lutowania w zamkniętych pomieszczeniach, aby dymy nie mogły się skroplić na krytycznych częściach zespołu.

3. Strumienie kalafonii:

Niekorozyjny strumień kalafonii można wytworzyć przez rozpuszczenie wody-białej kalafonii w odpowiednim rozpuszczalniku organicznym, na przykład benzynie lakowej. Kalafonia składa się głównie z kwasu abietynowego, który staje się aktywny w temperaturze lutowania 175 do 315 ° C, ale powraca do swojej obojętnej, niekorozyjnej postaci podczas chłodzenia.

Dlatego znajduje szerokie zastosowanie w pracach radiowych i elektronicznych, w których skuteczne czyszczenie po lutowaniu jest trudne. Stosuje się różne związki organiczne zmieszane z kalafonią, na przykład chlorowodorek kwasu glutaminowego i bromowodorek hydrazyny.

Te topniki ulegają rozkładowi w temperaturach lutowania, pozostawiając twarde, niehigroskopijne, nie przewodzące elektrycznie i nie powodujące korozji pozostałości, które w razie potrzeby można łatwo zmyć wodą. Znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle elektrycznym.

Bardziej płynne, 50/50 lub 60/40 cyny ołowiane są zwykle używane z nie korozyjnym strumieniem kalafonii.

Łagodnie aktywowane strumienie kalafonii są preferowane w przypadku produktów wojskowych, telefonicznych i innych elektronicznych o wysokiej niezawodności, podczas gdy bardziej aktywne strumienie kalafonii znajdują szerokie zastosowanie w komercyjnych elektronicznych i ważnych zastosowaniach, w których można zapewnić dokładne czyszczenie po lutowaniu.

4. Specjalne strumienie:

Strumienie reakcyjne stosowane do lutowania aluminium działają, zastępując folię tlenkową przez osadzanie metalicznej powłoki na powierzchni roboczej poprzez ich rozkład.

Niektóre lutowie są również dostępne z topnikiem zawartym w rdzeniu. Ilość strumienia w rdzeniu może wynosić od 0-5 do ponad 3-0%, przy czym 2-2% jest najpowszechniejsze. Dostępne są również lutowie rdzeniowe i rdzeniowe z rdzeniem kwasowym, które są wykorzystywane odpowiednio do prac elektrycznych i blach.

Wspólny projekt do lutowania:

Stop lutowniczy ma stosunkowo niską wytrzymałość w porównaniu do metali, do których łączenia są wymagane. Dlatego pożądane jest zaprojektowanie połączeń lutowanych tak, aby blokowały mechanicznie wymaganie, aby lutowie działało jako środek uszczelniający i wiążący.

Dwa podstawowe typy połączeń lutowanych to połączenie zakładkowe i złącze stykowe. Ryc. 17.3B pokazuje typowe lutowane połączenia, które zawierają zamknięty szew, przywiązany tyłek i złącze zakładkowe w rurze. Złącze typu Lap powinno być preferowane, gdy tylko jest to możliwe, ponieważ zapewnia to maksymalną wytrzymałość.

Złożone złącza lutowane mogą być wykonane przez ręczne lutowanie, ale w przypadku procesu wykorzystującego automatyczne topienie, lutowanie i końcowe czyszczenie, wybrane projekty muszą być stosunkowo proste, zapewniając dostęp do złącza.

Czynność kapilarna będąca ważnym czynnikiem w procesie lutowania jest niezbędna, aby zapewnić optymalny prześwit między częściami przeznaczonymi do lutowania, tak aby strumień mógł być wciągany do przestrzeni pośredniej przez działanie kapilarne. Przegub ze szczeliną między 0 07 a 0-12 mm jest zatem korzystny dla większości połączeń, aby uzyskać maksymalną wytrzymałość, ale w niektórych szczególnych przypadkach, takich jak lutowanie wstępnie powlekanego metalu, luz wynoszący zaledwie 0 025 mm zapewnia pożądaną wytrzymałość. Nadmierny klirens może powodować nieekonomiczne połączenia lutowane.

Zastosowania lutowania:

Oprócz specyficznych zastosowań różnych metod lutowania opisanych wcześniej np. Łączenie rdzeni grzejników samochodowych, hydraulika, przemysł elektroniczny, w tym radio, telewizja i komputery, przemysł elektryczny do łączenia przewodów i kabli z końcówkami i wiele innych.

Można powiedzieć, że na ogół lutowanie jest częściej stosowane do lekkiego uszczelniania połączeń, zwiększania sztywności i poprawy przewodności elektrycznej. Czasami może być konieczne uzależnienie się od wytrzymałości na rozciąganie, ale lutowie są lepiej znane z ich ciągliwości niż siły. Jednakże, jeśli staranne napełnianie osiąga się nieoczekiwanie, można uzyskać wysokie wartości wytrzymałości. Ponadto, lutowanie znajduje również zastosowanie do uszczelniania prefabrykowanych złącz połączonych ze sobą za pomocą nitów, zgrzein punktowych lub innych środków mechanicznych.